[发明专利]基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料的生长方法，特别是一种m面GaN上的极性AlGaN纳米线的金属有机物化学气相外延生长方法，可用于制作AlGaN纳米结构半导体器件。

技术背景

宽带隙半导体AlGaN合金材料，根据其组分变化，室温下的禁带宽度为3.4-6.2eV。由于AlGaN材料优越的物理化学稳定性使其可以在苛刻的条件下工作，在光电子器件领域有着重要的应用价值，因此受到广泛的关注。随着分子束外延MBE和金属有机物化学气相外延MOCVD等技术的不断发展，促进了III族氮化物半导体材料向低维结构发展。III族氮化物纳米材料具有自发极化和压电极化的特征，在制作紫外LED器件，传感器，航空航天器件等领域也有很广阔的应用前景。

为了使极化最大化，必须使得纳米线沿着极性方向生长。为了得到极性AlGaN纳米线，许多研究者采用了不同的生长方法。2006年，L.Hong等人采用化学气相沉积CVD方法利用金属催化剂制备了极性AlGaN纳米线，参见Hong L,Liu Z,Zhang X T,et al.Self-catalytic growth of single-phase AlGaN alloy nanowires by chemical vapor deposition[J].Applied physics letters,2006,89(19):193105。这种方法虽然制备成本较低，但制备出的纳米线方向一致性差，限制了AlGaN纳米线的器件应用。

2006年K.A.Bertness等人采用MBE方法成功制备了AlGaN纳米线，参见Bertness K A,Roshko A,Sanford N A,et al.Spontaneously grown GaN and AlGaN nanowires[J].Journal of crystal growth,2006,287(2):522-527。这种方法制备的AlGaN纳米线垂直于沉底，方向一致性好，但该方法成本高，工艺复杂，且获得的纳米线长度较短，生长速率低，因此不适合工业大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于m面GaN衬底的极性AlGaN纳米线材料及其制作方法，以降低制备成本，提高生长效率，增加纳米线长度，为制作高性能极性AlGaN纳米器件提供材料。

实现本发明目的技术关键是：在非极性m面GaN上采用Ti金属催化的方法，通过调节生长的压力、流量、温度，实现高速，高质量生长较长的、平行于衬底且方向一致性很好的极性AlGaN纳米线，其技术方案如下：

一.本发明基于m面GaN上的极性AlGaN纳米线材料，自下而上包括m面GaN衬底层和极性AlGaN纳米线层，该极性AlGaN纳米线层中含有若干条平行于衬底、方向一致且长度在20-100μm范围内随机产生的极性AlGaN纳米线。在m面GaN衬底层的上面设有5-20nm厚的TiN层，极性AlGaN纳米线层位于该TiN层的上面。

所述m面GaN衬底层的厚度为1-1000μm。

二.本发明基于m面GaN的极性AlGaN纳米线材料制作方法，包括如下步骤：

(1)在厚度为1-1000μm的m面GaN衬底上蒸发一层5-20nm的Ti金属；

(2)将有Ti金属的m面GaN衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，在温度为600-1200℃，时间为5-20min，反应室压力为20-760Torr的工艺条件下，向反应室内同时通入流量均为1000sccm-10000sccm的氢气和氨气，使m面GaN衬底上的一部分金属Ti氮化形成5-20nm厚的TiN，并残余一部分未被氮化的金属Ti；

(3)向MOCVD反应室中同时通入铝源、镓源、氨气和氢气，利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为20-100μm不等的极性AlGaN纳米线，每条纳米线的长度根据残留的金属Ti液滴大小，以及生长的工艺条件随机产生。

所述的利用未被氮化的金属Ti作为催化剂在TiN层之上生长若干条平行于衬底且长度为20-100μm不等的极性AlGaN纳米线，其工艺条件是：

生长温度：800-1400℃；

反应室内压力：20-760Torr；

铝源流量：5-100μmol/min；

镓源流量：5-100μmol/min；

氢气流量：1000-10000sccm；

氢气流量：1000-10000sccm；